CN102537945B - 一种循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统，包括炉膛、旋风气固分离器、返料器、锅炉尾部烟道、电力除尘器、引风机、冷却塔、气溶胶捕集器以及烟囱，炉膛上端设置有烟气出口，在烟气出口连接旋风气固分离器，在旋风气固分离器的气体出口连接一烟气静电处理器，该烟气静电处理器包括烟气进口、发射极板、收尘极板、电源以及灰斗；在烟气静电处理器的后端为所述的锅炉尾部烟道，锅炉尾部烟道的末端依次连接所述的电力除尘器、冷却塔、溶胶捕集器以及烟囱，在所述的电力除尘器与冷却塔之间还设置有引风机以及换热器。本发明中多项创新性设计的整合,确保了循环流化床锅炉机组燃烧效率的提高,以及其烟气排废水平及污染危害显著的降低。

Description

一种循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统

技术领域： 

本发明涉及热能动力工程领域装置与系统，具体是一种循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统。

背景技术： 

在循环流化床锅炉机组里，通常由炉膛、气固分离器以及气力返料器等设备组成燃烧系统(亦称物料循环系统);以水冷壁、过热器、省煤器、空预器及其尾部烟道构成锅炉的热能交换传输系统;以除尘器等构成锅炉烟气净化系统 ;三者之间以送引机供风为串联循环动力。气固分离器布置在约800℃或600℃两个温度水平工艺流程段上，其主要功能是分离在炉膛内尚未完全燃烧的碳颗粒、未能全部化学反应的固体钙基脱硫剂以及循环炉料,将它们从烟气中分离下来再回送到炉膛内继续燃烧和化学反应,以实现煤和脱硫剂的高效利用。布置在烟气系统末端的除尘器须对逃脱气固分离器固体颗粒继续进行净化脱除,以使锅炉燃煤烟气达到尽可能低的污染排放标准。

而且,目前气固分离器绝大多数是采用离心式旋风气固分离器,该类型分离器应用在高浓度粉尘的循环流化床锅炉时,气固分离总效率＞99%。但是,它对粉尘粒径小于70μm以下细微颗粒的粉尘分级分离效率则很低(≦50%)。然而 ,烟气里70μm以下的细微飞灰颗粒中的可燃物含量却是最高的;另外,一般锅炉里也仍有小部分的钙基脱硫剂不能在燃烧系统里完全进行脱硫化学反应而逃出燃烧系统。由于这两部分细微颗粒不能被气固分离器捕捉而逃逸出燃烧系统,致使进入炉膛的煤燃烧效率和钙基脱硫剂的利用效率均下降。显然,提高细微颗粒的分级分离效率不仅可以提高循环流化床锅炉的煤燃烧效率,而且可以提高钙基脱硫剂的使用效率。 

此外,循环流化床锅炉虽采用了低温燃烧和炉内脱硫等技术使得其烟气的SO2、NOX等煤烟型污染物排放较小,但仍未最终实现无害化排放。 

本发明是基于提高锅炉燃烧效率、降低煤烟型污染危害这两个角度开发的。 

发明内容： 

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种既可以提高70μm以下细微固体颗粒的分级分离效率,从而提高循环流化床锅炉的煤燃烧效率以及钙基脱硫剂的使用效率的,又可以实现烟气在高温段预处理、于低温段转化回收酸性物质之环保工艺的循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 

一种循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统，包括炉膛、旋风气固分离器、返料器、锅炉尾部烟道、电力除尘器、引风机、冷却塔、气溶胶捕集器以及烟囱，所述的炉膛包括设置在下端的排渣口、一次风进口以及布风结构，在炉膛的中部设置有进料口和返料口，在炉膛的上端设置有烟气出口，在所述的烟气出口连接所述的旋风气固分离器，旋风气固分离器的上端为气体出口，旋风气固分离器的下端为固体出口，该固体出口连接至所述的返料器，返料器的出口连接所述的返料口，其特征在于：在所述的旋风气固分离器的气体出口连接一烟气静电处理器，该烟气静电处理器包括烟气进口、发射极板、收尘极板、电源以及灰斗，所述的烟气进口连接所述的旋风气固分离器的气体出口，所述的灰斗连接至所述的返料器；在烟气静电处理器的后端为所述的锅炉尾部烟道，锅炉尾部烟道的末端依次连接所述的电力除尘器、冷却塔、溶胶捕集器以及烟囱，在所述的电力除尘器与冷却塔之间还设置有引风机以及换热器。

在所述的烟气静电处理器上还设置有三次风入风口。 

在锅炉尾部烟道内设置有包墙过热器、高低温过热器、省煤器以及一二次风空气预热器。 

在所述的冷却塔内设置有喷水装置以及喷氨装置。 

在所述的一次风入风口连接有一启动燃烧器。 

在所述的气溶胶捕集器与烟囱之间设置有一脱硫风机、一氨气储罐和一副产品储罐。 

所述换热器是具有相变过程的多流体热换热器.。 

在所述的电力除尘器与烟囱之间还设置有烟气旁路管道，在该烟气旁路管道上设置有烟气旁路阀。 

本发明燃烧系统由炉膛、布风板、排渣口、水冷壁、高温旋风气固分离器、返料器、启动燃烧器、高温烟气静电处理器 (其包含发射极板、电源、收尘极板、灰斗、输灰管)等设备组成。 

烟气系统由燃烧系统与锅炉尾部烟道、包墙过热器、高低温过热器、省煤器、一二次风空气预热器、多流体相变换热器、电力除尘器、引风机、冷却塔、喷水装置、氨气储罐、喷氨装置、气溶胶捕集器、副产品储存罐、脱硫引风机、烟气旁路阀以及烟囱等设备共同组成。 

本发明是在传统的循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统的设备、系统布置及组成方式上进行了如下几点创新设计: 

一、在烟气系统的高温段里,增设一种热电复合激发式高温烟气静电处理器装置,对高温烟气进行全面调质和预处理;

 二、在高温烟气静电处理工艺段里,增设了锅炉三次风系统,对烟气调质后的燃烧系统末端气氛进行优化控制;

三、在烟气系统全流程里,以低耗能的高温烟气电子辐射工艺配套尾部喷氨设备及酸回收系统, 促使烟气中酸性物质转化、并被回收。

四、在烟气系统的低温段里,增设了多流体相变换热器,降低锅炉末端排烟温度,以减少锅炉排烟热损失。 

以此多项创新性技术设计及其装置与传统系统组合而形成一种高效燃烧、低废排放的新型循环流化床燃烧及其烟气系统形式。               

其中, 热电复合激发式高温烟气静电处理器是本发明的核心设备, 它将一种以高温热能为主、低压电能为辅的复合激发作用施加于某些低逸出功发射阴极之上,促使其材料内部电子突破表面势垒而逸出,并在高温电场驱动下实现定向移动和空间碰撞;以达到促使烟气之中碳粒、粉尘和固体脱硫吸收剂荷电,之后被高温烟气静电处理器内部的电场力捕集回送到炉膛里再循环利用。同时,它也可以促使高温烟气之中的O2、N2、水蒸汽等发生辐射反应,生成大量的离子、自由基、原子和各种激发态的原子、分子等活性物质,并由它们将烟气中的SO2和NOX氧化为SO3和NO2;还可以促使CO2气体离解成CO和O;对这些气体进行调质和预处理。

三次风系统主要是作为新增高温烟气静电处理器所在烟气工艺段里烟气气氛的优化和控制手段;根据燃烧过程的需要,可以实施主动干涉,以利燃烧过程深入发展。 

而作为烟气系统低温段增加的喷氨工艺,是为了将在高温段烟气预处理过程中生成的SO3和NO2进一步的转化成硫酸铵和硝酸铵,并使其在所配套的气溶胶捕集器里被回收,变锅炉排废为化肥加以利用。 

在烟气系统的低温段里,增设多流体相变换热器,是为了以此来抵消因高温烟气预处理工艺的采用,致使烟气中酸性气体的份额增加、烟气酸露点提高;因而必须采取提高锅炉传统低温换热面工艺段烟温水平的设计值,以避免锅炉低温段受热面酸腐蚀危害。由此而造成的锅炉排烟热量损失的增加,将依靠系统下游多流体相变换热器所具有的相变换热特点,强化传热效率,对其进行深度回收。具有相变过程的换热器其管壁温度水平较高,且温度可调,因而被酸腐蚀的风险低。所以,采用此项设计来协调新系统性能的整体设计指标。 

有效效果： 

（1）在循环流化床锅炉燃烧系统中首次引入高温烟气静电处理技术及装置提高燃烧效率:

采用该装置与旋风气固分离器串联,形成电力-旋风组合气固分离作用,取代循环流化床锅炉燃烧系统中传统的纯旋风气固分离作用;由此所组成的新型燃烧系统可以提高对锅炉炉膛出口70μm以下飞灰的捕集效率,使它们得以重返炉膛参加物料循环,并反复燃烧降低其可燃物水平,从而提高了整个循环流化床锅炉机组的燃烧效率。

 (2) 在循环流化床锅炉燃烧系统中首次采用了三次风设计优化燃烧条件: 

采用高温烟气静电处理技术,使得锅炉出口烟气中通常高浓度存在的CO2气体与大量自由电子之间在电场力的作用下,通过简接过程被离解为CO和O;该工艺段里烟气温度仍在800℃以上,属于锅炉燃烧系统的末端,在此处配套设计一档“三次风”,运行中可以根据该烟气流程工艺段中的烟气气氛, 调整其燃烧条件, 优化控制燃烧过程。

(3) 在锅炉烟气系统中首次采用高温段预处理低温段转化回收酸性物质之工艺实现烟气低废排放: 

高温烟气静电处理器里大量自由电子在空间移动过程中,将与高温烟气中呈气态的O2、N2、水蒸汽等相遇, 并发生辐射反应,生成大量的离子、自由基、原子和各种激发态的原子、分子等活性物质,并由它们将烟气中的SO2和NOX氧化为SO3和NO2。这些气体被预处理之后形态重整、增强了其状态的稳定性,当其进入锅炉末端低温酸性物质回收装置时,可以实现烟气酸性物质化合转化、深度反应和回收再利用。

(4) 高温静电烟气处理器的使用提高了锅炉尾部烟道内布置的设备性能和安全性: 

本发明系统中因采用了高温烟气静电气固分离技术使其提高了70μm以下固体颗粒的捕集分效率,亦即提高了整个循环流化床锅炉燃烧系统的气固分离总效率,致使逃逸出燃烧系统的固体颗粒大大减少;因而显著降低了衔接锅炉燃烧系统之后的锅炉机组尾部对流受热面工艺段里的烟气灰尘浓度水平,改变了锅炉机组对流受热面受粉尘污染和磨损恶劣的工作环境,致使锅炉机组尾部对流受热面的传热效率获得提高、设备寿命得以延长。

（5） 高温静电烟气处理器的使用提高了烟气脱硫剂的使用效果: 

在高温烟气脱硫工艺里一般是采用石灰石、白云石等钙基吸收剂对烟气中的二氧化硫进行脱除的,含钙基吸收剂的烟气在通过本高温烟气静电处理器时,吸收剂则可得到了大量的静电荷(通常是负电荷),其后又因吸收剂颗粒都带同种电荷,因而相互排斥,能够得以在烟气中迅速扩散、均匀悬浮,使每个吸收剂颗粒的表面都充分暴露在烟气中,其与烟气中二氧化硫的反应机会大大增加,从而进一步地提高了循环流化床锅炉的烟气脱硫效率和缩短了二氧化硫被脱除的时间。

而且,在循环流化床锅炉设备里,生产工艺是以钙基吸收剂在锅炉燃烧系统内反复循环使用而获得吸收剂高效使用效果为其技术特征的。采用高温烟气静电处理器则可促使吸收剂颗粒带上负电荷、这样其中的一些尚未得到完全脱硫反应或完全未进行脱硫反应的钙基吸收剂颗粒就易于被本装置静电收尘极板捕集,然后将其经灰斗5收集回送入炉重复循环使用,进而提高生产过程中钙基吸收剂的总体使用效率。 

 (6) 高温静电烟气处理器的使用降低了锅炉机组整体钢耗水平: 

本发明在锅炉机组上采用了高温烟气静电处理器的设计,该装置的收尘极板电流密度≥500 毫安/平方米,它比目前常见电晕式静电除尘器收尘极板电流密度高3至4个数量级。这样,若在面对锅炉生产中相同的除尘任务要求之下,其无论是发射极数量还是收尘极面积相比较电晕式静电除尘器而言就要求的更少,因此可以大大缩小锅炉机组针对除尘需求而投入的装置体积并减少相应装置的钢耗水平。换言之,即设计中在烟气系统上游增加的是体积小的新型高温烟气静电气固分离器,它将原来在低温段实施的烟气除尘任务前移到高温段完成了,这样传统的低温电力除尘器的负载就显著降低,仅仅起到拾漏补遗的作用,因此规模可以大大缩小。

附图说明

图1是本发明系统构造图。 

其中：1、炉膛，2、布风板，3、排渣口，4、水冷壁，5、旋风气固分离器，6、返料器，7、启动燃烧器，8、烟气静电处理器，9、发射极板，10、电源10，11、收尘极板，12、灰斗1，13、输灰管，14、包墙过热器，15、锅炉尾部烟道，16、高低温过热器，17、省煤器，18、一二次风空气预热器，19、多流体相变换热器，20、电力除尘器，21、引风机，22、烟气旁路阀，23、烟囱，24、冷却塔，25、喷水装置，26、氨气储罐，27、喷氨装置，28、气溶胶捕集器，29、副产品储存罐，30、脱硫风机。 

具体实施方式

下面结合图1对本发明作进一步说明： 

本发明循环流化床锅炉的燃烧与烟气系统由燃烧系统和烟气系统组成，其中燃烧系统由炉膛1、布风板2、排渣口3、水冷壁4、高温旋风气固分离器5、返料器6、启动燃烧器7、高温烟气静电处理器8 (其包含发射极板9、电源10、收尘极板11、灰斗12、输灰管13以及三次风入风口)等设备组成。

烟气系统由锅炉尾部烟道15、包墙过热器14、高低温过热器16、省煤器17、一二次风空气预热器18、多流体相变换热器19、电力除尘器20、引风机21、冷却塔24、喷水装置25、氨气储罐26、喷氨装置27、气溶胶捕集器28、、副产品储存罐29、脱硫风机30、烟气旁路阀22以及烟囱23等设备共同组成。 

其工作原理如下: 

通过布风板2将由启动燃烧器7加热的热风从一次风入风口送入炉膛1底部,促使布风板2之上的颗粒状固体床料流化,逐渐升温至煤着火温度, 并启动引风机21,和脱硫风机30,形成锅炉烟风循环。

炉膛1内温度达到煤着火温度后,送入煤和钙基固体脱硫剂,并配送适量二次风,逐渐调整煤和燃烧风之间的比例,促使锅炉进入稳定燃烧和炉内脱硫工作状态。 

锅炉稳定燃烧生成的850～900℃的高温烟气由炉膛1被引风机21引出后,进入高温旋风气固分离器5。在高温旋风气固分离器5中,携带有煤燃烧后生成的飞灰颗粒以及钙基脱硫剂颗粒的含尘烟气进行气固分离,其中99%以上固态的尘粒被旋离下来汇集到高温旋风气固分离器5底部的返料器6中被回送到炉膛1里继续燃烧和脱硫反应,而分离后仍携带少量细微尘粒的高温烟气则由高温旋风气固分离器5的顶部中心管排出。此时,在高温旋风气固分离器5中仍有一定的燃烧份额。 

高温旋风气固分离器5顶部排出的烟气一般仍具有800℃以上的高温。它被引入高温烟气静电处理器8后,首先由高温烟气自身具备的高位热能加热其中采用低逸出功材料制作的特殊发射阴极9,致使发射阴极9材料内部电子高度活化,并突破该材料表面势垒的束缚而逸出成为自由电子;与此同时,通过电源4在发射区极板9、收尘区极板11之间均施加3000～6000伏电压,形成电场势促使自由电子做定向移动或空间碰撞。发射阴极9以阳极板电流密度为每平方米500毫安的高强度电子发射水平,使得大量自由电子在高温烟气静电处理器8全域空间里，与粉尘或有害气体分子、烟气中的O2、N2、CO2、水蒸汽等碰撞、,致使它们荷电或改变状态,并将产生如下变化: 

(1)致使从高温旋风气固分离器5逃逸的高温烟气里,那些呈固态的细微颗粒物(如粉尘、碳灰、脱硫剂等)荷电(一般表现为负电性),并在电场极性引导下流向收尘阳极,最终被电力捕集后坠落灰斗12,经输灰管13和返料器6被回送入炉膛继续燃烧或脱硫反应;从而提高了碳粒的燃尽率和脱硫剂的使用效率。

(2)锅炉出口高温烟气中通常高浓度存在的CO2气体与大量自由电子之间在电场力的作用下,通过简接过程则离解为CO和O;在该工艺段里烟气温度仍在800℃以上,属于锅炉燃烧系统的末端,设计时在此处增设了一档“三次风”,运行中可以根据该烟气流程工艺段中的烟气气氛,调整其燃烧条件、优化控制燃烧过程。 

(3)大量自由电子在装置空间移动过程中,也将与高温烟气中呈气态的O2、N2、水蒸汽等相遇, 并发生辐射反应,生成大量的离子、自由基、原子和各种激发态的原子、分子等活性物质,并由它们将烟气中的SO2和NOX氧化为SO3和NO2。这些气体被预处理之后形态重整、增强了其稳定性,当其流出锅炉燃烧工艺段进入锅炉尾部烟道15时,已具备了与下游其它工序进行化合转化、深度反应和回收再利用的良好条件;从而达到对高温烟气定向预处理的目的。 

由此可见,本发明通过采用高温烟气静电处理器,借助高温烟气具备的高品位热能和低压电场能量,不仅可以实现热电复合激发材料内部电子高强度发射的目的,而且具有捕集烟气中带电固体颗粒、调整烟气组分特性以及引导有害气体定向转化等多项处理功能。 

从高温烟气静电处理器8工艺段出来的烟气每立方米含尘量3～8克,温度﹥800℃;它在完成了粉尘高度净化、可燃质深度燃烧和有害气体调质预处理后进入锅炉尾部烟道15。 

在锅炉尾部烟道15垂直段中,与常规锅炉机组一样依次排列着包墙过热器14、高低温过热器16、省煤器17、一二次风空气预热器18;由它们完成各类热量交换工艺。在锅炉尾部烟道15水平段中,布置有常规低温电力除尘器20和引风机21; 电力除尘器20作用是对从锅炉燃烧系统末端设备高温烟气静电处理器8中逃逸的少量粉尘进行拾漏补遗,以使锅炉排烟粉尘达到大气环境排放标准;引风机21是为锅炉尾部烟道烟气流动提供动力。 

从引风机21排出的烟气温度为140～160℃,其中固态粉尘已经被高度除净,但是,它经上游工艺调质预处理形成的稳定性较好的SO3和NO2等有害气体在140～160℃条件下呈气雾状态仍然存在,排放之后将造成大气环境污染。为此,设置了多流体相变换热器19,首先以此设备将锅炉排烟温度降至100～120℃; 经多流体相变换热器19回收的热量一部分用于提高锅炉一二次风空气预热器18的进风温度及其低温段传热管壁温度,另一部分用于提高锅炉省煤器17的进水温度及其低温段传热管壁温度。 

需要说明的是,在高温烟气静电处理器8里经过调质预处理、由SO2和NOX氧化而来的SO3和NO2虽可以很好地适应下游回收工艺的需要,但是它也提高了锅炉尾部烟道15中酸性气体的份额和酸露点温度,从而影响到其中布置的设备将被低温腐蚀危害。为了确保这些设备的安全,本发明的锅炉燃烧及其烟气系统中引风机21之前的上游工艺段排烟温度将比传统锅炉机组在此段的工艺温度略有提高(约20～40℃温度),由此形成的排烟热量损失被推移到下游多流体相变换热器19工艺段才将其收回。 

由下游多流体相变换热器19出来的100～120℃烟气进入冷却塔24,在其中被喷水装置25喷淋的低温冷却水降温至80～90℃,烟气中 SO3和NO2这些高价的硫氧化物和氮氧化物与水蒸气反应生成雾状的硫酸和硝酸;随后这些酸再与由氨气罐26及喷氨装置27喷出的氨反应,生成硫酸氨和硝酸氨;最后采用气溶胶捕集器28对烟气之中以气溶胶形式存在的硫酸氨和硝酸氨加以收集,存入副产品储罐29,经造粒处理后可作化肥使用。而高度净化后的烟气则经脱硫风机30和烟囱23排向大气环境。 

为了防止末端多流体相变换热器19、冷却塔24、氨气罐26和喷氨装置27、气溶胶捕集器28以及脱硫风机30所在的烟气工艺段故障,系统中还设计了由烟气旁路阀22和旁路管组成的烟气旁路。 

由上述整个工艺过程可以看出,新型系统有别于传统的循环流化床锅炉燃烧和烟气系统之处在于: 

它由高温烟气静电处理器所具备的电力气固分离作用与传统系统中高温旋风气固分离器组合,增强了燃烧效率和脱硫效率;以高温烟气静电处理器所具备的烟气调质作用与新增三次风设计配合,优化了燃烧条件;以高温烟气静电处理器所具备的烟气预处理作用与烟气系统末端酸性物质转化回收装置配套,变烟气中废酸为化肥产品;以增加多流体相变换热器设计,协调系统设计、降低了锅炉排烟热损失。

Claims (8)

1.一种循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统，包括炉膛、旋风气固分离器、返料器、锅炉尾部烟道、电力除尘器、引风机、冷却塔、气溶胶捕集器以及烟囱，所述的炉膛包括设置在下端的排渣口、一次风进口以及布风结构，在炉膛的中部设置有进料口和返料口，在炉膛的上端设置有烟气出口，在所述的烟气出口连接所述的旋风气固分离器，旋风气固分离器的上端为气体出口，旋风气固分离器的下端为固体出口，该固体出口连接至所述的返料器，返料器的出口连接所述的返料口，其特征在于：在所述的旋风气固分离器的气体出口连接一烟气静电处理器，该烟气静电处理器包括烟气进口、发射极板、收尘极板、电源以及灰斗，所述烟气进口的烟气温度为800℃以上，所述的发射极板采用低逸出功材料制作，所述的电源在所述发射极板和收尘极板之间均施加3000～6000伏电压，所述的烟气进口连接所述的旋风气固分离器的气体出口，所述的灰斗连接至所述的返料器；在烟气静电处理器的后端为所述的锅炉尾部烟道，锅炉尾部烟道的末端依次连接所述的电力除尘器、冷却塔、溶胶捕集器以及烟囱，在所述的电力除尘器与冷却塔之间还设置有引风机以及换热器。

2.根据权利要求1所述的循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统，起特征在于：在所述的烟气静电处理器上还设置有三次风入风口。

3.根据权利要求1或2所述的循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统，起特征在于：在锅炉尾部烟道内设置有包墙过热器、高低温过热器、省煤器以及一二次风空气预热器。

4.根据权利要求3所述的循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统，起特征在于：在所述的冷却塔内设置有喷水装置以及喷氨装置。

5.根据权利要求4所述的循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统，起特征在于：在所述的一次风入风口连接有一启动燃烧器。

6.根据权利要求5所述的循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统，起特征在于：在所述的气溶胶捕集器与烟囱之间设置有一脱硫风机、一氨气储罐和一副产品储罐。

7.根据权利要求1或2所述的循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统，其特征在于：所述换热器是具有相变过程的多流体热换热器。

8.根据权利要求1或2所述的循环流化床锅炉燃烧及其烟气系统，起特征在于：在所述的电力除尘器与烟囱之间还设置有烟气旁路管道，在该烟气旁路管道上设置有烟气旁路阀。